hotspot的安全区(saferegion)和安全点(safepoint)

1、通过OopMap完成根节点枚举

HotSpot虚拟机使用可达性分析算法确定对象是否可以被GC。

可达性分析算法从一系列GCRoot对象开始，向下搜索引用链，如果一个对象没有与任何GCRoot对象关联，这个对象就会被判定为可回收对象。

GCRoot包括以下对象：

虚拟机栈上的本地变量表引用的对象
方法区中类的静态属性引用的对象
方法区中常量引用的对象
本地方法栈中JNI引用的对象

这一过程称为根节点枚举，也就是垃圾回收中的标记过程，当前所有的垃圾收集器，在标记阶段都必须停止所有java执行线程（STW），以保证对象引用状态不会发生变化。

HotSpot虚拟机作为准确式虚拟机，维护了一个专门的映射表（OopMap）记录哪些位置存放着对象引用，来快速完成根节点枚举过程。

类加载完成，HotSpot就会把对象内某个偏移位置是否为对象引用记录下来，JIT编译过程中，也会在特定的位置记录下栈和局部变量表中哪些位置是引用。

2、安全点SafePoint

为每一个操作记录OopMap不现实，HotSpot虚拟机引入了SafePoint。安全点就是某些记录线程此时调用栈、寄存器等一些重要的数据区域里什么地方包含了GC要管理的指针（对象引用），而这些对象引用是通过OopMap结构进行记录的，可以直接通过对OopMap结构的访问来获得对象的引用。

SafePoint是程序中的某些位置，线程执行到这些位置时，线程中的某些状态是确定的，在safePoint可以记录OopMap信息，线程在safePoint停顿，虚拟机进行GC。一个线程可以在SafePoint上，也可以不在SafePoint上。一个线程在SafePoint时，它的状态可以安全地被其他JVM线程所操作和观测。

线程停顿方式有两种，抢先式中断和主动式中断：

抢先式中断：虚拟机需要GC时，中断所有线程，让没有到达SafePoint的线程继续执行至SafePoint并中断
主动式中断：虚拟机不直接中断线程，而是在内存中设置标志位，线程检查到标志位被设置，运行至SafePoint时主动中断

hotspot采用的是第一种, 也就是主动检测的方式. 而在主动检测的方式中又分为两种方式:

指定点执行检测代码
polling page访问异常触发

Hotspot, 顾名思义, 就是热点的意思, 这里所谓的热点指的是热点代码, 也就是执行频率很高的代码, hotspot会根据运行时的信息来统计, 并将高频率执行的java字节码直接翻译成本地代码, 由此提高执行效率. 因此, hotspot有两种执行方式, 一个是解释执行, 一个是编译执行。指定点检测主要是解释执行用的，对于需要高效实现的地方，则采用polling page。

polling page和普通物理页面没什么区别，需要safepoint时, 会修改该页面的权限为不可访问, 这样编译的代码在访问这个页面时, 会触发段违规异常(SEGEV). 而hotspot在启动时捕获了这个异常, 当意识到是访问polling page导致时, 则主动挂起。

SafePoint一般出现在以下位置：

循环体的结尾
方法返回前
调用方法的call之后
抛出异常的位置

这些位置保证线程不会长时间运行而无法到达SafePoint，避免其他线程都停顿等待本线程。

public static void main(String[] args) throws Exception {
     [1]DemoObject demoObject = new DemoObject();
     [2]//往demoObject上挂一个字符串对象
     [3]demoObject.val1 = "this is a string object";
     [4]Thread.sleep(1000000);
}

我们知道代码是在线程里执行的, GC的代码也是在线程里执行, 如果执行GC的时候其他线程也同时执行的话, heap的状态将是难以追踪的. 以上面的代码为例, 假设GC线程通过扫描线程的stack(线程stack是一种GC Root), 扫描到demoObject, 然后根据这时候, main函数执行到[3], 但还未执行, 扫描的结果只发现demoObject是存活的, 接下来, main函数的线程执行[3], demoObject.val1引用了一个字符串对象, 这个对象的扫描就漏掉了, 除非以某种方式记录下这个变化, 然后重新扫描demoObject. 即便有办法记录这个赋值导致的变化然后再次扫描, 如果其他线程这时候又来捣乱, 那么重新扫描的时候有可能又发生了变化, 陷入循环…

再往下一点, 我们知道CPU执行运算时的数据, 需要从内存里载入寄存器中, 运算完再从寄存器存入内存, 对象的地址也要经过这么个过程. 假如一个java线程分配了一个对象A, 该对象的地址存在某个寄存器中, 然后线程的cpu时间片到期被切换出去, 同时GC的线程开始扫描存活对象, 由于没有路径到这个地址还在寄存器中的对象, 这个对象被认为是garbage, 回收了. 然后睡眠的java线程醒来了, 把寄存器中的对象地址赋值给了存活对象的某个字段, over…

GC的目的在于帮助我们收集不再使用的内存, 但是把正在是使用的内存当成垃圾回收显然是不能接受的. 同时通过分析也看到, 由于多线程运行环境的存在, GC的工作会变的异常复杂, 要安全的回收垃圾, 需要具备两个条件:

heap的变化是受限的, 当然了, 所有线程都停下来最好, 这样heap 在GC过程中是稳定的,这是最简单的情况.
heap的状态是已知的, 不会有活着的对象找不到或者很难找的情况. 想想对象地址在寄存器中的情况, 虽然可以有办法可以扫描线程的寄存器, 即使这样, 也必须知道哪个寄存器在某个时刻存的是地址, 要做到扫描不漏是很复杂的事情.

3、安全区SafeRegion

SafePoint无法解决线程未达到SafePoint并处于休眠或等待状态的情况，此时引入SafeRegion的概念。

SafeRegion是代码中的一块区域或线程的状态，在SafeRegion中，线程执行与否不会影响对象引用的状态。线程进入SafeRegion会给自己加标记，告诉虚拟机可以进行GC；线程准备离开SafeRegion前会询问虚拟机GC是否完成。

参考文章：

（1）聊聊JVM（六）理解JVM的safepoint https://blog.csdn.net/ITer_ZC/article/details/41847887

（2）聊聊JVM（九）理解进入safepoint时如何让Java线程全部阻塞 https://blog.csdn.net/ITer_ZC/article/details/41892567